CRITÉRIOS PARA DEFINIR A SUSTENTABILIDADE DE EXPLORAÇÃO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS
Manuel M. Oliveira
1,2, Maria João Moinante
1,3, J. P. Lobo Ferreira
1,4, Carlos Almeida
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Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Av. do Brasil, 101, 1700-066 Lisboa; 2 Tel.: 218443436, Email: moliveira@lnec.pt; 3 Tel.: 218443538, Email: mjmoinante@lnec.pt; 4 Tel.: 218443609, Email: lferreira@lnec.pt;
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Centro de Geologia da Universidade de Lisboa e INETI-Dep.Hidrogeologia, Email: calmeida@netcabo.pt Resumo
A exploração das águas subterrâneas tem implicações no ciclo hidrológico. De forma a fazer-se uma exploração sustentável há que atender a um conjunto de benefícios que se pretende atingir gerindo os diferentes processos do ciclo hidrológico afectados por essa exploração assim como as implicações que essas alterações terão nos ecossistemas relacionados. Apresentam-se alguns conceitos caracterizadores dos aspectos quantitativos das águas subterrâneas, propondo-se que a sustentabilidade da exploração interanual de um sistema aquífero seja definida pelo volume extraível anual médio, para o qual é necessário calcular o volume de recarga anual médio, o armazenamento subterrâneo total drenável por acção da gravidade e a fracção do volume de recarga anual média necessária para permitir a manutenção de um volume de descarga para os corpos hídricos superficiais.
Abstract
Groundwater exploitation disturbs the hydrologic cycle. For a sustainable exploitation a number of benefits are aimed but it requires the management of the different processes of the hydrologic cycle affected by the exploitation as well as the implications of those changes in the related ecosystems. Some concepts characterising quantitative issues of groundwater are presented. It is proposed that the sustainable exploitation of an aquifer system in an inter-annual basis is defined as the average annual exploitable volume, that requires the calculation of the average annual groundwater recharge volume, the groundwater storage that can be pumped and the fraction of the average annual recharge volume required to maintain the discharge volume of the aquifer for the surface water bodies.
Palavras chave: sustentabilidade, água subterrânea, recarga, volume extraível Introdução
O uso sustentável pode ser definido como o uso do ambiente e dos seus recursos vivos a uma taxa que não excede a sua capacidade de renovação garantindo a sua disponibilidade para as gerações futuras (EEA, 2005). Este conceito incorpora preocupações ecológicas (manutenção de ecossistemas), sociais (disponibilidade do recurso para o desenvolvimento das populações) e económicas (balanço entre o custo de exploração e o benefício).
Aplicado à sustentabilidade de exploração de águas subterrâneas pode definir-se como a quantidade de água que pode ser extraída da zona subterrânea saturada sem reduzir as reservas de águas subterrâneas para as gerações futuras. Isto significa que a exploração de águas subterrâneas deve satisfazer as necessidades para o desenvolvimento humano, a um custo acessível, mantendo contudo os escoamentos de base dos cursos de água, de forma a permitir a manutenção dos ecossistemas dependentes da descarga das águas subterrâneas para a superfície.
Em águas subterrâneas tem-se utilizado o conceito de caudal seguro para definir a sustentabilidade de exploração de um aquífero. Almeida et al. (2000) definem caudal seguro como «caudal de extracção de um aquífero que pode manter-se permanentemente sem produzir resultados indesejáveis (económicos, ecológicos ou sociais)».
O texto deste Resumo Alargado baseia-se fundamentalmente em Oliveira (2004).
Relação entre as extracções e a componente subsuperficial saturada do ciclo hidrológico A sustentabilidade da exploração das águas subterrâneas está largamente dependente da forma como os diversos processos do ciclo hidrológico subterrâneo se inter-relacionam.
Considere-se um volume de controlo do meio saturado (VCMS) e formule-se a equação de balanço hídrico em ordem às extracções (Hbs) – Fig. 1:
Hbs = R + Ebe + Eb2e+ Hbe – Ebs – Eb2s – D – ΔAb Eq. 1
Esta fórmula mostra que qualquer extracção de água subterrânea por acção humana se inter--relaciona com os restantes processos do ciclo hidrológico. O incremento do volume de extracções é possível à custa de:
(A) um aumento das entradas de água no VCMS devidas: à recarga (R), ao escoamento subterrâneo lateral (Ebe), ao
escoamento proveniente de um aquífero sobre ou subjacente (Eb2e), ou à recarga artificial directa na zona saturada (Hbe –
processo que se vai desprezar);
(B) uma redução das saídas de água do VCMS devidas: ao escoamento subterrâneo lateral (Ebs), ao escoamento para um
aquífero sobre ou subjacente ao VCMS (Eb2s), à descarga do
aquífero (D); Solo (l) Zona vadosa abaixo do solo (v) Zona saturada (b) Hbs Meio superficial (p) R ΔAb Ebe Ebs Hbe D nível freático Eb2e Eb2s
Fig. 1 - Recarga tomando o volume de controlo abaixo da zona saturada
(C) uma redução da quantidade de água armazenada no aquífero (ΔAb), que se traduz por um
rebaixamento do nível piezométrico.
No caso de não haver extracções (Hbs nulo), num intervalo de tempo grande, a variação do
armazenamento subterrâneo é nula ou desprezável relativamente às outras componentes do VCMS (ΔAb nulo), pelo que as entradas de água no VCMS (onde se inclui a recarga), encontram-se em
equilíbrio com as saídas de água do VCMS.
Considerando as extracções de águas subterrâneas (Hbs > 0), quando se começa a extrair água
subterrânea do VCMS provoca-se um rebaixamento do nível piezométrico (ΔAb < 0), que se traduz
num cone de rebaixamento à volta da captação. Quando o limite deste cone de rebaixamento ultrapassa algum dos limites do VCMS, há um acréscimo do escoamento de água subterrânea de entrada no VCMS (Ebe > 0, e, eventualmente, se existir, Eb2e > 0). Se o cone de rebaixamento atingir
um corpo hídrico superficial, induz-se recarga a partir desse corpo hídrico superficial (recarga
induzida). Por outro lado, em aquíferos com nível freático à superfície, a exploração de águas
subterrâneas cria espaço no aquífero para receber mais água de recarga que em condições naturais não se processaria. Para além do rebaixamento que é provocado, alguma da água subterrânea que antes do início da captação de água saía por escoamento subterrâneo do VCMS (Ebs > 0, Eb2s > 0) ou
descarregava para o meio superficial (D > 0), também pode ser captada, reduzindo por isso o volume de água envolvido nestes processos. No caso de aquíferos com nível freático próximo da superfície pode também reduzir-se uma parcela de água que seria utilizada para evapotranspiração.
Ao capturar água que antes de haver extracções de água subterrânea descarregaria para o meio hídrico superficial, provoca-se uma diminuição do escoamento de base (e do escoamento superficial). Se a extracção de água induzir recarga a partir do meio hídrico superficial, também aí se reduz o escoamento ou armazenamento superficial. Somente no caso das zonas costeiras, com descarga para o mar, é que a extracção de águas subterrâneas não vai provocar redução do escoamento superficial.
A longo prazo, mantendo-se os caudais de extracção, o rebaixamento do nível piezométrico atinge uma dimensão que gera uma situação de equilíbrio hidrodinâmico, ou seja o nível piezométrico deixa de baixar e ocorre um equilíbrio entre as entradas de água no sistema e as saídas. Se o VCMS coincidir com a área total do sistema aquífero, as entradas de água são só a recarga (R) e as saídas de água são o volume extraído (Hbs) e a descarga (D). No limite, o volume extraído pode igualar o
volume de recarga (onde se inclui a recarga por infiltração da água de precipitação e a recarga induzida) e deixa de haver descarga para o meio hídrico superficial.
Sustentabilidade da exploração de águas subterrâneas
Tendo em vista que a extracção de águas subterrâneas tem implicações ao nível dos outros processos do ciclo hidrológico, importa definir até que ponto (volume) se pode aceitar a captação de águas subterrâneas. A extracção de águas subterrâneas pode, a longo prazo, desencadear o risco de ocorrerem: (1) em zonas costeiras, o avanço para terra da interface água doce/água salgada, com
possibilidade de salinização das águas captadas, (2) a nível ambiental, a secagem de zonas húmidas, (3) o aumento dos custos de captação de água, (4) a possibilidade de subsidência de terrenos, (5) a diminuição do escoamento dos cursos de água, com possibilidade deste se tornar inferior ao caudal ecológico. No caso das extracções anuais serem continuamente superiores à recarga anual, há também o risco de: (1) extinção do escoamento de base dos cursos de água superficiais, (2) esgotamento do recurso hídrico subterrâneo.
Sendo a recarga a entrada natural de água no meio saturado, um dos limites à extracção de água deverá ser precisamente o volume de recarga.
Tomando a totalidade de um sistema aquífero (termos Ebs = Eb2s = Ebe = Eb2e = 0) há que ter em
atenção que em condições de não exploração (Hbs nulo), o meio subterrâneo, apesar de ter o nível
freático abaixo da superfície do terreno, permitindo a ocorrência de infiltração no solo e de recarga, pode ter uma capacidade de armazenamento baixa, o que por aplicação da Eq. 1, vai implicar maior descarga de águas subterrâneas para o meio superficial. Na prática, esta situação implica velocidades de circulação de águas subterrâneas elevadas e tempos de permanência na zona saturada baixos. Este é o modelo de escoamento assumido para muitas formações fissuradas e de porosidade dupla do Maciço Antigo em Portugal Continental. Nesta situação, se não houver exploração simultânea com a entrada de água no aquífero, a água que recarrega o aquífero vai descarregar em pouco tempo para o meio superficial não sendo aproveitável como recurso subterrâneo. Ou seja, a exploração do sistema aquífero diminui a componente de descarga em períodos húmidos, aumentando assim a capacidade de regulação deste.
Para a definição da capacidade de armazenamento de um aquífero é importante ter-se em conta alguns conceitos.
O armazenamento subterrâneo total de água drenável por acção da gravidade (ou reserva
hídrica subterrânea explorável), em regime natural (não influenciado pelo homem) (AbT) é dado por:
AbT = Σ ( nei . Vi ) Eq. 2
onde o somatório se refere aos i volumes (V) com propriedades idênticas de porosidade eficaz (ne) em que se pode dividir a zona saturada. Deste valor total de armazenamento, há uma parte que é praticamente fixa, designando-se por armazenamento subterrâneo permanente (ou reserva hídrica
subterrânea explorável permanente), que se define, para condições de regime natural, como o volume
de água que existe na zona saturada, drenável por acção da gravidade, abaixo do nível piezométrico
mínimo registado no tempo. A referência mínimo registado no tempo traduz o carácter dinâmico desta
definição, e o permanente traduz a sempre-existência deste volume em condições naturais.
Complementarmente a este último conceito define-se armazenamento subterrâneo transitório (ou reserva hídrica subterrânea explorável transitória), em regime natural, como a quantidade de água subterrânea drenável por acção da gravidade armazenada entre os níveis piezométricos máximo e mínimos registados no tempo. O volume de água que passa por esta zona ao longo do tempo traduz as quantidades de água envolvidas no processo de recarga / escoamento subterrâneo / descarga.
Para muitos sistemas aquíferos de Portugal Continental, principalmente os detríticos de porosidade intergranular mas também muitos sistemas cársicos, estima-se que os seus armazenamentos subterrâneos permanentes sejam muito superiores ao volume de recarga anual média pelo que para cada sistema a disponibilidade hídrica subterrânea anual média é equivalente à recarga anual média. Nos sistemas aquíferos em que o armazenamento subterrâneo permanente é inferior ao volume de recarga anual média (caso principalmente dos meios fissurados), os recursos subterrâneos dependerão da situação concreta de exploração, que poderá capturar água que noutras condições poderia constituir a descarga do meio.
Hipoteticamente, se anualmente se extraísse toda a água que recarregasse a zona saturada, a descarga para o meio superficial tenderia a anular-se ao longo do tempo. Assim, para se definir a sustentabilidade da exploração de um meio subterrâneo tem que haver uma fracção do volume de recarga que não pode ser explorado, de forma a manter-se um determinado gradiente hidráulico subterrâneo para os cursos de água superficial. Na prática, esta situação pretende condicionar o rebaixamento máximo admissível no nível piezométrico de um sistema aquífero. Por outro lado este rebaixamento máximo admissível também pode ser limitado por questões técnicas da captação de água a nível de sistema aquífero, uma vez que este factor tem implicações na forma de captar água e no seu
custo. Estes dois aspectos foram incluídos no conceito de volume extraível anual médio, definido como uma percentagem do volume de recarga anual média, limitado pelo rebaixamento máximo que
se pode provocar no armazenamento subterrâneo total do sistema aquífero. Este volume pode ser
variável no tempo, dependendo da tecnologia disponível e de questões económicas, relacionadas com a localização das captações, as infraestruturas necessárias e o custo da energia necessária para proceder à extracção de água.
A sustentabilidade da exploração interanual de um sistema aquífero seria assim dada pelo volume extraível anual médio, sendo necessário definir o volume de recarga anual médio, o armazenamento subterrâneo total drenável por acção da gravidade (reserva hídrica subterrânea explorável) e a fracção do volume de recarga anual média necessária para permitir a manutenção de um volume de descarga para os corpos hídricos superficiais. No caso da reserva hídrica subterrânea explorável ser inferior ao volume de recarga anual médio (situação de um sistema aquífero com reduzida capacidade de regulação), o volume extraível anual médio dependeria da situação concreta de exploração, situando-se entre a reserva hídrica subterrânea explorável e o volume de recarga anual médio, só podendo ser avaliada sabendo a resposta do sistema às solicitações.
Considerações finais
A metodologia apresentada para definir o volume extraível anual médio tem algumas dificuldades devido à necessidade de se definir o valor da fracção de água que deve ser deixada para o caudal ecológico, o valor de rebaixamento máximo (que até pode ser variável no espaço, por exemplo mais baixo junto às zonas de linha de água e mais elevado nas zonas de interflúvio), e o valor do armazenamento subterrâneo na espessura de rebaixamento máximo.
Sophocleous (2000) apresenta uma forma de, com base na exploração de captações já existentes, condicionar o caudal de extracção de novas captações. Uma nova captação e respectivo caudal é autorizada se num círculo centrado nessa captação, cujo raio é dado pela distância a partir da qual o rebaixamento é limitado (raio definido com base nas propriedades hidráulicas do meio saturado – na aplicação apresentada esse raio é de 3,2 km), o somatório das extracções existentes mais a da nova captação for inferior à recarga anual média nesse círculo. Em acréscimo a este procedimento refira-se que o volume de recarga anual considerado deveria ser descontado do volume destinado para a manutenção do caudal ecológico.
Como notas finais, há que referir que em situações de escassez de água e desde que exista reserva hídrica subterrânea explorável, se pode permitir a extracção de águas subterrâneas para lá do que seria o volume extraível anual. A sustentabilidade da exploração poderia ser recuperada nos anos seguintes.
Outro aspecto a considerar é que a sustentabilidade da exploração de águas subterrâneas foi definida unicamente do ponto de vista quantitativo. A extracção de águas subterrâneas pode capturar água de qualidade imprópria (incluindo a proveniente da intrusão marinha) pelo que esta situação também deve ser incorporada na definição quantitativa.
A abordagem mais completa para a definição da sustentabilidade da exploração consiste na construção de um modelo de escoamento, que deverá ser também de transporte de massa no caso de os aspectos de qualidade da água serem importantes, e que modele, pelo menos, a zona saturada e as relações entre esta zona e o meio hídrico superficial na situação de descarga e de recarga induzida. A recarga por infiltração da água de precipitação é uma variável de entrada do modelo. A utilização do modelo para além de permitir perceber o funcionamento do sistema em regime natural e de prever a resposta desse sistema às possíveis extracções de água, permite ainda entrar com a variação sazonal da recarga, do escoamento subterrâneo e da descarga. Os resultados desta abordagem podem ser potenciados se o modelo de escoamento e de transporte for acoplado a um modelo de optimização dos locais de extracção dos caudais de água, de forma a determinar a localização das captações que permitam a extracção do caudal máximo para o impacto admissível nos meios a jusante do escoamento subterrâneo.
Referências bibliográficas
Almeida, C.; Mendonça, J.J.L.; Duarte, R.S.; Quina, A.P.; Neves, J.R. (2000) – "Glossário de Termos Hidrogeológicos", Centro de Geologia e Instituto da Água. 54 pp.
EEA (2005) – http://glossary.eea.eu.int/EEAGlossary/S/sustainable_use (2005-06-29)- European Environment Agency
Oliveira, M.M. (2004) – "Recarga de águas subterrâneas: Métodos de avaliação". Lisboa. Doutoramento em Geologia (Hidrogeologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, Departamento de Geologia, 440 pp. http://www.dha.lnec.pt/nas/pdf/Resumo_Tese_MMO_Internet.pdf
[2005-06-30 (Resumo)]
Sophocleous, M. (2000) – "From safe yield to sustainable development of water resources – the Kansas experience". Journal of Hydrology, 235, pp. 27-43.
